单片集成DBR可调谐半导体激光器的精准、快速波长锁定机理研究

单片集成DBR可调谐半导体激光器动态波长切换过程中出现的热致波长抖动现象会制约其波长切换速度，从而限制其在基于波长路由的全光交换网络中的应用，因此需要引入纳秒到微秒量级的波长锁定环路对其目标切换波长进行精准、快速的锁定控制。本项目运用集成光学原理、热动力学理论和半导体激光器的等效微波电路模型分析方法，同时结合器件自身的结构特点，建立多节段DBR可调谐半导体激光器的动态波长切换理论模型，通过对激光器各节段的电寄生效应和电流切换导致的热瞬态效应进行分析，阐明激光器的热致波长瞬态变化机制。同时运用可调谐半导体激光器的相关理论和现代控制理论构建激光器的波长锁定环路控制模型，结合比率制波长检测原理与无模式跳变波长补偿机制，实现闭环波长控制环路中比例、积分、微分（PID）系数的优化，有效地降低控制环路的延时，提高波长控制精度，并最大程度地扩展连续波长补偿范围，从而显著提高实际器件的动态波长切换性能。

本项目历经三年时间，针对单片集成DBR可调谐半导体激光器动态波长切换过程中波长瞬态漂移理论机制及实际快速波长控制系统的构建进行了深入的研究，并取得了相关研究成果，以下对其作简要概括：. 第一，基于半导体激光器光子浓度、载流子浓度速率方程，完成SGDBR-SOA集成器件增益节小信号电流调制的等效微波电路模型，并利用测得的器件微波S参数，结合解析求解和数值拟合的方法，针对不同的器件输出波长对增益节微波电路参数进行了提取，最终建立了完备的增益节电流调制导致SGDBR-SOA集成器件性能变化的理论分析方法；. 第二，基于半导体激光器光子浓度、载流子浓度速率方程和光子传播方程，完成SGDBR-SOA集成器件SOA节小信号电流调制的等效微波电路模型，并利用测得的器件微波S参数，结合解析求解和数值拟合的方法，针对不同的器件输出波长对SOA节微波电路参数进行了提取，为器件动态波长切换过程中SOA节关断时限的选择提供了理论依据；. 第三，针对本项目闭环控制环路中波长检测的要求，对适用于光信号中心波长测量的比率制波长检测技术进行了详细的讨论，对比率制波长检测系统各种实现方案的检测原理和性能进行了比较，概括介绍了最新研究进展情况，并对相关发展趋势进行了分析。为光学边沿滤波器的选择和设计提供了理论指导；. 第四，利用SGDBR-SOA集成器件的增益阈值条件和相位谐振条件，得出了集成器件动态波长切换过程中三个无源调谐节补偿电流之间的函数关系，为器件波长补偿算法的确定提供了理论根据；. 第五，完成了SGDBR-SOA集成器件快速波长控制系统的设计和仿真，并构建了实际控制系统，针对前期自行研制的SGDBR-SOA集成器件的静态波长调谐及动态波长切换进行了有效控制。. 基于本项目的研究成果，目前共发表相关学术论文6篇，已授权国家实用新型专利3项，申请国家发明专利一项（目前待授权），同时构建SGDBR-SOA集成器件波长控制系统样机2台，为后期单片集成可调谐半导体激光器及其控制系统的产业化研究奠定了一定基础。